NO791628L - Anodeelement for monopolare elektrolyseceller av filterpresstype - Google Patents

Description

Anode for monopolare elektrolyseceller

av filterpressetype.

Foreliggende oppfinnelse angår et anodeelement for monopolare elektrolyseceller som er oppbygget som filterpresse-celler, og særlig sådanne filterpresse-celler som drives i samsvar med diafragma-prosessen.

Elektrolyseceller av denne type anvendes først og fremst

for klor/alkali-elektrolyse, som går ut på utvinning av klor, hydrogen og alkalihydroksyder fra vandige alkali-kloridløsninger ved elektrokjemiske prosesser. Klor oppnås også som et biprodukt ved elektrolyse av saltsmelter som anvendes ved fremstilling av alkalimetaller eller jordalkali-metaller. Celler av denne type har også vært anvendt i stadig større utstrekning ved elektrolytisk spalting av saltsyre og vinner stadig større betydning i denne forbindelse.

Noen av de nevnte produkter fremstilles i meget store mengder som grunnkjemikalier. Når det gjelder klor/alkali-elektrolyse, er det anlegq som ofte drives med produksjonskapasitet på 500 til 1000 tonn klor pr. dag i sluttet krets. I sådanne anlegg kan det forekomme >strømstyrker opptil ca. 500 000 ampere. Avhengicr av den spesielle prosess som anvendes, vil et større eller mindre antall elektrolyseceller være kombi-nert til en enkelt cellekrets. Hvis elektrisk likestrøm bringes til å strømme gjennom en elektrokjemisk celle med en vandig elektrolytt som inneholder alkaliklorid, dannes klorgass ved den positive pol eller anoden, mens hydrogen-gass og alkalihydroksyd dannes ved den negative pol eller katode. Revers reaksjon på grunn av blanding av de frem-stilte produkter bør naturligvis unngås. For dette formål ble det først utviklet to forskjellige prosesser, nemlig den

såkalte kvikksølvprosessen og diafragmaprosessen.

Når diafragmaprosessen anvendes ved klor/alkali-elektrolyse, tilføres alkaliklorid-løsning vanligvis til anodekammeret og klor fjernes fra anoden. Alkaliionene sammen med den gjen-værende utspedde alkalikloridløsning vandrer gjennom diafragmaet til katodekammeret. Her avgis alkaliionene til katoden, hvor alkalihydroksyd og hydrogen dannes i nærvær av vann. Det dannes således en blanding av alkaliklorid og alkalihydroksyd, nemlig den såkalte cellevæske, som utsettes for ytterligere behandling for å oppnå ren hydroksyd. Diafragmaet, som gjør tjeneste som en porøs skillevegg, skiller anodekammeret fra katodekammeret og hindrer således blanding og uønsket revers reaksjon av de produkter som utskilles ved elektrodene.

For å oppnå kontinuerlig elektrolyse, bør det opprettholdes en jevn væskestrøm gjennom diafragmaet til katodekammeret. For dette formål opprettholdes forskjellige væskenivåer i kommersielle diafragmaceller, således at det foreligger for-skjellig hydrostatisk trykk i anodekammeret og i katodekammeret. Da strømningsmotstanden gjennom diafragmaet for-andres under en driftssyklus, f.eks. på grunn av tilstopping og lignende problemer, er de diafragmaceller som vanligvis anvendes, ofte utstyrt med et karakteristisk høyt deksel hvori en forholdsvis høy trykkforskjell kan opprettholdes. Disse diafragmaceller er typisk utført i form av et kar, hvori katodene rager inn liksom fingere i en krave. Hvis et felles anodekammer anvendes for alle anoder, vil den klorgass som fremstilles ved anodene under klor/alkali-elektrolyse bli samlet opp i det ovenfor nevnte høye deksel.

En tredje elektrolyseprosess, den såkalte membranprosessen har vært anvendt i økende grad i den senere tid. Da dimen-sjonsstabile anoder og permselektive membraner nå er til-gjengelige, kan elektrolyseceller fremstilles med en tynn skillemembran innklemt mellom plane motstående elektroder.

En celleblokk av filterpresse-utførelse kan fremstilles ved sammenføyning av flere enkelte elektrolyseceller med elektrodeelementer og skillevegger, slik som diafragmaer eller permselektive membraner, anordnet mellom elektrodene. Elektrolyseceller av filterpressetypen er vel kjent, f.eks. fra tysk patentskrift nr. 1.054.430 og tysk offentliggjørel-sesskrift nr. 2.222.637, som det herved henvises til og som beskriver elektrolyse av saltsyreløsning, samt tysk offent-liggjørelsesskrift nr. 2.510.396 som er rettet på klor/ alkali-elektrolyse, og som det også henvises til som referanse .

Celleelementene fastholdes vanligvis i bærerammer. Ved hjelp av en passende presseinnretning, f.eks. hydraulisk utstyr,

en spennstav eller et antall skruer presses celleblokken sammen med pakninger plassert mellom celleelementene for avtetning mellom disse, hvoretter det hele monteres, hvis så ønskes i et hensiktsmessig stativ for dannelse av en kompakt enhet som kan inneholde fra ca. 10 opptil f.eks. 100 celleelementer og en tilsvarende produksjonskapasitet.

Elektrolyseceller av filterpressetypen kan så sammenstilles bipolart eller monopolart i samsvar med prosesser som er beskrevet i US patentskrift nr. 4.056.438, som det herved henvises til som referanse. Monopolare elektrodeelementer omfatter vanligvis to. parallelle elektrodeflater, og mellom disse kammere dannes så et katodekammer eller anodekammer, alt etter den elektriske tilkobling til vedkommende elektrodeelement. Et sådant arrangement er vist i søkerens samtidig innleverte patentansøkning som angir et elektrolysecelle-system, som det her henvises til som referanse. Uavhengig av den utførelse som anvendes, er det imidlertid funnet vanskelig å danne forskjellige væskenivåer uten vesentlig tap av aktiv elektrodeflate og diafragmaflate.

Det er således et hovedformål for foreliggende oppfinnelse

å frembringe et forbedret anodeelement som er egnet for anvendelse i elektrolyseceller av filterpressetypen og særlig egnet for anvendelse i diafragmaceller, som således

vil gi forbedret driftsvirkningsgrad.

Dette formål oppnås i henhold til foreliggende oppfinnelse ved å anordne en langstrakt hul del direkte på oversiden av anodeelementet. Denne hule del gjør det mulig å innstille væskenivået i anodeelementet slik at det i cellen oppnås tilstrekkelig hydrostatisk trykk til å bibeholde den nødvendige væskestrømning gjennom diafragmaet under hele elektrolyse-cellens arbeidssyklus. Videre er det særlig fordelaktig at anodeelementet i henhold til foreliggende oppfinnelse også kan anvendes i elektrolyseceller som anvender membraner som skilleelementer med tilsvarende hensiktsmessig modifikasjon av strømningsbanene for elektrolysemediet. Når det gjelder membranceller innstilles væskenivået i anodeelementet i samme høyde som væskenivået i det inntilliggende katodeelement.

En særlig enkel og fordelaktig utførelse oppnås når den hule del i henhold til foreliggende oppfinnelse er utført i et stykke med elektroderammen og som en forlengelse av denne.

En sådan konstruksjon utgjør en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Den gass som utvikles ved anodeelementet tas fortrinnsvis ut fra den hule del ved hjelp av utløpsledninger som løper ut fra den hule del og munner ut i en felles samleledning.

For å oppnå optimale prosessbetingelser kan høyden av den hule del velges i samsvar med strømningsmotstanden for det spesielle diafragma som anvendes. Alternativt er det også mulig å tilpasse diafragmaet slik at det tilsvarer høyden av den hule del som skal anvendes. I henhold til en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse er det funnet fordelaktig å benytte en hul del med en vertikal forlengelse på ca. 300 til ca. 800 mm når det anvendes asbestdiafragma som skillevegger. Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk en diafragma-elektrolysecelle av filterpresse-typen, og Fig. 2 viser skjematisk en membran-elektrolysecelle av filterpresse-typen.

I den diafragma-elektrolysecelle som er vist i fig. 1, er katode og anodeelementer, henholdsvis K og A, anordnet veksels-vis og i rekkefølge. Hvert av elektrodeelementene K og A er utstyrt med monopolare forbindelser, hvilket vil si at de to parallelle elektrodeflater i hvert elektrodeelement danner henholdsvis katode eller anode for den tilsvarende elektrolysecelle. Et diafragma 4 er plassert mellom elektrodeflater med motsatt polaritet, samt skiller tilstøtende elektrodeelementer fra hverandre.og hindrer diffusjon tilbake av de produkter som utskilles ved elektrodene.

Under drift sirkuleres elektrolytten, som f.eks. er en vandig NaCl-løsning, til anodeelementene ved hjelp av en tilførsels-ledning 5. Den cellevæske som dannes ved katodeelementene K, og som ved klor/alkali-elektrolyse utgjøres av en blanding av alkaliklorid og alkalihydroksyd, overføres ved hjelp av hensiktsmessige tilsluttede rørledninger fra katodeelementene til samleledningen 6 for gjenvinning av hydroksyd. Det hydrogen som dannes ved katodeelementene K og det klor som utvikles med anodeelementene A fjernes fra cellen ved hjelp av samle-ledninger, henholdsvis 7 og 8.

For å opprettholde tilstrekkelig væskestrømning inn i katodeelementet K fra anodeelementet A, slik som antydet ved piler i fig. 1, er det anordnet en vertikal hul forlengelse på oversiden av anodeelementet A, således at et høyere væskenivå kan frembringes i anodeelementet A enn i katodeelementet K. Som vist i fig. 1, strekker diafragmaet 4 seg bare så langt det foreligger felles grenseflate mellom katode og anodeelementene, henholdsvis K og A. I det foreliggende tilfelle er den hule del 1 fortrinnsvis utført i et stykke med og som en forlengelse av elektroderammen 11, som bærer elektrode-flåtene 3 og 3'.

Diafragmastykket 4 kan fremstilles av passende duk eller mikroporøst skikt som klemmes mellom anodeelementet A og katodeelementet K. Hvis diafragmaet er utført av asbest på kjent måte, kan det utfelles utenfor cellen fra en sus-pensjon av fibere og klemmes inn i cellen som et halvferdig diafragma i form av duk eller plate. I dette tilfelle kan den vanlige nedsenkning av hele katodeelementet i asbest-suspensjonen utelates, hvilket medfører betraktelig tids-besparelse med vedlikehold av cellen.

I henhold til foreliggende oppfinnelse kan anodeelementet

A også anvendes i membran-elektrolyseceller av filterpressetype og som drives i samsvar med membrancelleprosessen. I dette tilfelle er diafragmastykket, slik som vist i fig. 2, erstattet av en permselektiv membran 4', og en ytterligere samleledning er forbundet med anodeelementene for å fjerne utspedd anodeløsning gjennom åpningen 10a (se fig. 1). Løsningsmiddel, f.eks. ^O, tilføres katodeelementene K

ved hjelp av åpninger 9a (se fig. 1) og gjennom en samlelinje 9 for erstatning av den utspedde anodeløsning. I denne driftstilstand av elektrolysecellen opprettes omtrent like væskenivåer i de to elektrodekammere K og A, hvilket inne-bærer at den hule del 1 på oversiden av anodeelementet A stort sett ikke inneholder noe elektrolysefluid. Som det vil være kjent for fagfolk på område, kan mikroporøse membraner erstattes eller anvendes i tillegg til vanlige membraner .

Skjønt foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet ved hjelp av spesielle utførelser, vil det forstås at modifikasjoner og variasjoner av disse utførelser kan gjøres uten at man derved overskrider oppfinnelsens ramme, slik det vil være åpenbart for fagfolk på området. Passende modifikasjoner og variasjoner vil således ligge innenfor omfanget av de etterfølgende patentkrav. Skjønt den hule del bare er blitt beskrevet og vist ved en skjematisk utførelse, vil det f.eks. uten videre forstås at formen av den hule del ikke er kritisk ved den praktiske utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Som vist på tegningene vil vanligvis de ytre grenser av den hule del fortrinnsvis utgjøre fortsettelse av de ytre grenser av anoderammen. I denne spesielle utførelse vil de ytre grenseflater av rammen ha hovedsakelig samme dimen-sjoner som de ytre grenseflater av den hule del.

Claims (5)

1. Anode for monopolare elektrolyseceller av filterpressetype, karakterisert ved at den omfatter en langstrakt hul del som rager opp på anodens overside og er inn-rettet for å tillate kontinuerlig fluidkontakt med anoden, idet den hule del har tilstrekkelig vertikal utstrekning til å gi vesentlig ytterligere væskesøyle over det normale væskenivå i anoden.

2. Anode som angitt i krav 1, karakterisert ved at elektrolysecellen er en diafragmacelle.

3. Anode som angitt i krav 1, karakterisert ved at den hule del er en vertikal forlengelse av anoderammen.

4. Anode som angitt i krav 1 eller 3, karakterisert ved at gass trekkes ut fra den hule del.

5. Anode som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte celle omfatter et asbestdiafragma og den hule del har en vertikal utstrekning fra ca. 300 til ca. 800 mm.